分析齿轮泵减速机振动原因

齿轮泵减速机振动故障原因分析摘要：化工二厂第三聚丙烯装置M401挤压造粒机组为公司级重点机组，于2010年8月16日振动增大并产生噪声，我们采取振动温度监测、泵群离线监测、设备运行状态监测等多种手段，监测该机组的运行状况。对监测数据初步分析发现振动加速度与所生产产品的熔融指数相关联，通过进一步理论计算和分析，其结果表明轴承故障特征频率及高频群峰、齿轮啮合频率及其谐波频率与设备运行频谱相吻合，由此，判断出了轴承和齿轮的故障部位，最终确定振动增大的原因是熔融齿轮泵减速机一级行星齿轮磨损和输入端支撑轴承点蚀，并对M401机组今后的生产运行提出建议。关键词：行星减速机状态监测频谱分析疲劳磨损1概述化工二厂第三聚丙烯装置M401挤压造粒机组为公司级重点机组，该机组于1998年底建成投产，设计年产量20万吨。图1为M401机组工作示意图，主电机带动主减速机运转，通过同步齿轮使挤压混炼机两螺杆反向旋转，推动物料由进料口进入混炼机M-401中充分混炼、熔融和均化，熔融的聚丙烯经齿轮泵G-404增压，由水下切粒机M-404切粒完成聚丙烯粉料到粒料的生产过程。行星减速机同步齿轮挤压混炼机(M401)直流电机齿轮泵(G404)切粒机电机主减速机主电机切粒机(M404)图1M401机组工作示意图11.1齿轮泵减速机简介齿轮泵G404减速机的内部由两级行星齿轮传动和一级同步齿传动组成，其特点是体积小，效率高，传动比大，传动电机为可调速的直流电机，输出额定转速850rpm，额定功率800KW。电机输出转速经两级行星齿轮减速再经同步齿轮传递到齿轮泵，完成熔融状聚丙烯的增压，整个传动系统共包括两个太阳轮、七个行星轮、两个行星架、两个同步齿轮和26个滚动轴承，内部传动机构多、结构复杂。为有效的监控其运转状况，减速机上共安装有VE-4201A、B、C、D、E五个探头监测轴承的运转情况。图2为齿轮泵G404减速机结构示意图及五个监控探头的位置。VE4201-AVE4201-CVE4201-DVE4201-BVE4201-E图2减速机结构图减速机各齿轮的齿数如表1所示：表1减速机各齿轮齿数太阳轮齿数行星轮齿数行星架齿数同步齿轮齿数一级行星轮系1849117—二级行星轮系2438100—齿轮传动———26电机输入转速rpmn850，则各级传动比和转速为：一级行星传动比5.7181171ZZ1131i（式1-1）2二级行星传动比17.5241001ZZ1132i（式1-2）总速比76.3817.55.7i21ii（式1-3）二级行星系太阳轮转速：rpminn3.1135.785011（式1-4）输出端同步齿轮转速：rpminn9.2176.38850输出（式1-5）减速机传动系统基本参数如表2所示：表2减速机各传动系基本参数传动级输入轴（额定）一级行星传动二级行星传动同步齿轮传动输入转速850rpm850rpm113.3rpm21.9rpm设计功率—800KW800KW400KW轴承位置输入轴端行星齿轮行星齿轮同步齿轮两侧轴承型号6228NU2226EMNU2232EM2405624052B23064300TMP1.2故障描述2010年8月25日，当班操作工巡检时发现齿轮泵G-404有异响，并且声音连续。因此，我们对G404机组进行了检查，VM63测振仪显示振动速度为2.2mm/s，数值在该设备的振动值允许范围内，根据以前类似情况的处理经验，认为是由于该齿轮泵与减速机的齿形联轴节缺油所致。9月2日利用三聚停车检修的机会，我们对该齿轮泵和减速机的联轴节进行拆检，检查发现该联轴节润滑油略有缺少，补加润滑油后开车，异响消除，但振动仍然存在。通过查看本特利在线监控系统发现齿轮泵G-404在8月16日振动增大，图3为该齿轮泵VE-4201A检测点经本特利在线监控系统采集到的实时监控图，从图3可看出振动在当天11点20分急剧增大，增大幅度在50%左右且振动值持续保持在高点，图中A点为9月2日停车检修点，开车后从图中可看出振动程度与检修前基本一样。这时，我们意识到是减速机内部出现了问题，由于目前的减速机振动值在该设备要求的7.1mm/s以下，我们决定对其运行状况进行重点监控。3图3VE-4201A实时监控图2故障原因分析与诊断历经三个月重点监控，通过现场设备工人及专业巡检小组共同的努力，我们累积了大量的监测数据，为故障原因分析提供了强大的数据支持，我们利用这些数据对该熔融齿轮泵减速机振动故障原因进行分析。首先对每天两次的巡检测数据进行整理，统计发现产品牌号、熔融指数以及单位小时产量的变化对电机电流、电机转速、减速机振动程度都有不同程度的影响。特护监测期间，该装置共生产过8101/8303/1008/7726/7735/1735/9026/6606八种牌号的聚丙烯产品，我们仅以其中四种生产周期长的牌号作为分析依据，以生产牌号为横轴，按照各牌号生产日期的先后顺序，对减速机振动加速度进行统计并作出振动加速度与产品牌号之间的关联图，如图4所示。图4减速机振动加速度与产品牌号关联图从图中可看出，生产不同的牌号时，设备振动的剧烈程度也不同，产品熔融指数大，振动相对缓和；但是在装置生产相同牌号的产品时，振动值都呈上升趋势，表明设备故4障逐渐累计。2.1频谱检测理论轴承和齿轮都是转动机械设备中比较容易损坏的元件，在该齿轮泵减速机的结构中共包括7种类型的26个轴承和13个齿轮，因此本文主要根据频谱分析理论对该减速机的轴承和齿轮进行频谱特征分析与故障诊断。2.1.1滚动轴承的故障及诊断机理滚动轴承是旋转机械中应用最广的机械零件，也是最易损坏的元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大的影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成设备损坏。如图5所示，滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，由于安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷等原因造成各元件表面产生剥落坑、裂纹或胶合斑痕等，使轴承在运转中产生振动。下面给出滚动轴承工作时各零件单一缺陷产生的振动所对应的特征频率的计算方法：图5滚动轴承结构图D—节圆直径d—滚珠直径α—接触角z—滚动体个数n—轴的转速旋转轴工作频率60/nfr（式2-1）保持架特征频率rcfDdfcos121（式2-2）外滚道特征频率rcfDdfcos1Z21Z（式2-3）5内滚道特征频率rfDdZZfcos121i（式2-4）滚动体特征频率rfDddDf22bcos12（式2-5）缺陷的尺寸越大，振动信号越强。在实际运行过程中轴承各零件会同时出现多个剥落坑，产生的频率是上述单个频率的数倍。这里应注意由于滚动轴承的制造、材质以及轴承实际工作状态与理论状态不完全一致等原因使得测量特征频率与理论计算值存在一定的差别。滚动轴承故障的频谱和波形的特征如下：1）径向振动在轴承故障特征频率及其低倍频处有峰，若有多个同类故障，则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰存在，若还有明显的倍频成分，表明故障严重；2）内滚道故障特征频率处有峰，且有间隔为1倍工作频率的边带，表明有内滚道故障；3）滚动体故障特征频率处有峰，且有间隔为保持架故障特征频率的边带，表明有滚动体故障；4）在频谱的中高频区域若有群峰产生，表明有疲劳故障；5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径向相同）或者其波峰系数大于5，表明故障产生了高频冲击现象。2.1.2齿轮的故障及诊断机理齿轮的故障现象主要包括制造误差、装配不良和齿轮损伤三方面，其频谱的主要特征成分有：1）啮合频率及其谐波成分；2）幅值调制和频率调制所形成的边频带；3）由齿轮转速频率的低次谐波所构成的附加脉冲以及由齿轮加工误差形成的隐含成分。齿轮在啮合过程中啮合齿上的载荷和刚度是随着时间变化的，正常运转的无故障齿轮也会受到啮合刚度周期性变化的激励而产生啮合频率的振动（或称啮合振动），此外传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使齿轮在啮合过程中发生啮合频率的振动。转轴中心固定的齿轮其啮合频率为：62211zfzffm（式2-6）式中1f、2f——主动轮和从动轮的转速频率1z、2z——主动轮和从动轮的齿数在齿轮啮合良好的情况下产生的啮合频率及其谐波具有较低的幅值，正常齿轮产生的啮合频率振动，其波形近似于简谐波，幅值很小，但当存在齿面磨损，或者负荷增大、齿轮径向间隙过大以及齿轮游隙不适当等原因所引起的故障时，由于齿轮的啮合状况变坏，啮合频率的谐波成分幅值就会明显增大。齿轮常见故障的频谱和波形特征如下：1）当齿轮发生均匀磨损时，其啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，而且高频次谐波幅值相对增大较多；2）当齿轮出现不同轴或不对中时，会在频谱上产生以各阶啮合频率为中心，以故障齿轮的旋转频率rf为间隔的一阶边频；3）当齿轮出现偏心会引起齿轮的旋转频率及其倍频处幅值增大。4）当齿轮上的点蚀、划痕分布比较均匀时，在频谱上表现为啮合频率的谐波成分产生高而窄，且幅值变化起伏较大的边频带。通过上述理论我们将在2.2中通过西马力A30机泵离线监测数据对减速机故障进行分析。2.2西马力A30机泵离线监测数据分析燕化公司机泵离线监测系统是燕化公司动设备监测的重要组成部分，通过专业技术人员对运行动设备重要程度的合理划分，采取不同的巡检频次，该系统可以对动设备进行有效的监控。它以西马力轴承故障监测仪A30为巡检工具，通过采集监控设备的振动频谱、振动速度以及冲击脉冲，完成对动设备的运行状态监测。7图6减速机输入端离线监控频谱图图6为2010年10月20日13点31分利用西马力A30离线监控系统对齿轮泵减速机输入端采集的频谱图，该频谱图中分别在52.5Hz，210Hz、415Hz、630Hz、837.5Hz……处有峰值，1600~2000Hz的中高频区有群峰出现。2.2.1熔融齿轮泵减速机内轴承故障分析首先对该减速机所有轴承进行频率特征计算。由于受到产品牌号、工作负荷等因素的影响，减速机在运行过程中其电机电流和转速是变化的，测试当天电机转速rpmn720。代入式（1-4）（1-5）得到一级行星轮输出转速rpmn961，二级行星轮输出转速rpmn34.192。将n、1n、2n代入滚动轴承特征频率计算公式（式2-1）——（式2-5）中，得到减速机内各个轴承部件的故障特征频率如表3所示：表3减速机内各轴承部件的故障特征频率轴承型号转速工作频率保持架外滚道内滚道滚动体NU22262644.41.932.4142.3816.21NU22326010.437.810.23.682405218.580.310.143.484.271.4882405618.580.310.143.784.591.562306418.580.310.144.255.051.77300TMP18.580.310.145.275.272.14622872012669.2450.7638.04根据轴承故障频率特征分析方法，从表中可看出型号为6228的轴承其内滚道故障特征频率与图6中52.5Hz基本吻合，且在1600~2000Hz高频区有群峰出现，根据滚动轴承故障的频谱和波形的特征，我们认为减速机内的6228轴承的内滚道存在有疲劳缺陷，但是由于没有出现倍频峰值，说明该轴承故障并不是十分严重，该轴承在减速机内仍然可以继续运行。2.2.2熔融齿轮泵减速机齿轮故障分析在该减速机的齿轮啮合系中，利用（式2-6）对各级齿轮传动的啮合频率进行计算，计算结果如表4所示。表4各级齿轮传动的啮合频率传动系一级行星传动二级行星传动齿轮传动啮合频率21638.48.05图6中，210Hz及其倍频415Hz、630Hz、837.5Hz……处均有峰值出现，由于实际测量的特征频率与理论计算值存在一定的差别，210Hz与一级行星轮系的啮合频率基本吻合，因此，这些峰值对应的是一级行星轮系的啮合频率及其